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Structure de bandes du bromure cuivreux

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

HAL Id: jpa-00207419

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00207419

Submitted on 1 Jan 1973

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Structure de bandes du bromure cuivreux

M. A. Khan

To cite this version:

M. A. Khan. Structure de bandes du bromure cuivreux. Journal de Physique, 1973, 34 (7), pp.597-602.

�10.1051/jphys:01973003407059700�. �jpa-00207419�

(2)

STRUCTURE DE BANDES DU BROMURE CUIVREUX (*)

M. A. KHAN

Laboratoire de Structure

Electronique

des Solides

(E.

R. A.

100) 4,

rue

Blaise-Pascal,

67000

Strasbourg,

France

(Reçu

le 28 décembre

1972)

Résumé. - Nous avons calculé la structure de bandes

d’énergie

du CuBr à

partir

des

premiers principes

par la méthode des liaisons fortes pour les bandes de valence et par la méthode des ondes

planes orthogonalisées

pour les bandes de conductibilité. Les données

expérimentales s’interprètent

bien à l’aide de la structure

électronique

ainsi calculée.

Abshact. 2014 The combined TB and OPW methods have been

employed

to calculate the valence and conduction bands of CuBr. Most of the

experimental

data have been

satisfactorily interpreted

with the

help

of the band structure thus calculated.

Classification Physics Abstracts

17.10

1. Introduction. - Les

halogénures

de cuivre ont

fait

l’objet

de nombreuses études

spectroscopiques

tant dans le domaine du visible

[1], [2], [3], [4], [5]

que dans celui de l’ultraviolet

[6], [7]. Cependant,

le calcul de la structure de bandes à

partir

des

premiers principes

n’a été fait que pour le chlorure cui-

vreux

[8], [9].

Pour les deux autres

composés (c’est-à-

dire le bromure cuivreux et l’iodure

cuivreux)

nous

ne

disposons

que du calcul

semi-empirique

à

partir

de la structure de bandes du chlorure cuivreux

[10],

ainsi que du calcul par la méthode des ondes

planes orthogonalisées (OPW)

pour

quelques points

de

symétrie

élevée sur la surface de la zone de Brillouin

(ZB)

et au centre

[11 ].

Les raies du

spectre excitonique

de CuBr ont été

classées en deux

séries, appelées

série fine et série

diffuse,

par

analogie

avec les séries de même nom

de CuCI

[1 ], [5].

Mais pour CuBr les rôles des deux séries sont inversés par

rapport

à celles de

CuCI ;

donc elles ne

peuvent

pas être

interprétées

à l’aide

du schéma de bande de CuBr directement

extrapolé

à

partir

de celui de CuCI.

Nous nous sommes

proposé

de calculer la structure de bandes du bromure cuivreux à

partir

des

premiers principes

pour mieux

expliquer

les données

expéri-

mentales

qui

ont

beaucoup augmenté

ces dernières

années. Nous avons

employé

la méthode des liaisons fortes

(TB)

pour les bandes de valence et la méthode des ondes

planes orthogonalisées (OPW)

pour les

bandes de conductibilité. Ces deux méthodes ont été

également employées

par

Song [8],

Knox et

Bassani

[12],

Fowler

[13]

et

Bassani,

Knox et

Fowler

[14]

pour les calculs de bandes de

CuCI, Ar,

Kr et

AgCl

et

AgBr respectivement.

Dans ce

travail,

nous nous limitons aux calculs

suivants :

- bandes de valence et de conductibilité sans le

couplage spin-orbite (Chap. 2) ;

- bandes de valence avec le

couplage spin-orbite (Chap. 3) ;

J

- effets du

champ magnétique

au sommet de

la bande de valence

(Chap. 4) ;

- densités d’états de bandes de valence

(Chap. 5) ;

- et enfin dans le

chapitre

6 nous discutons ces

résultats et les comparons aux données

expérimentales.

2. Les bandes de valence et de conductibilité. - Dans ce

chapitre

nous exposons brièvement les méthodes de calcul

[8], [9].

L’hamiltonien pour un

électron de valence contient les

potentiels atomiques

créés par les ions. Ces

potentiels

sont calculés à l’aide des fonctions

atomiques

de Watson et Freeman

[15]

et Watson

[16]

pour

Cu+

et Br-

respectivement.

Nous avons

négligé

le terme

d’échange

entre un élec-

tron de valence et les électrons

appartenant

à d’autres ions. L’effet

d’échange

entre les électrons

appartenant

au même ion est

implicitement

inclus dans

l’énergie atomique

de Hartree-Fock. Cette

approximation

est

justifiée

en raison du caractère fortement

ionique

de CuBr. Les fonctions d’ondes pour les électrons de valence sont écrites sous forme de combinaisons linéaires des fonctions

atomiques

4 s et 4 p de Br-

et 3 d de

Cu +.

Enfin nous résolvons les

équations

séculaires.

(*) Ce travail fait partie de la Thèse de Doctorat que l’auteur doit soutenir devant l’Université Louis-Pasteur, Strasbourg.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01973003407059700

(3)

598

lm

et

H m

sont des

intégrales

de recouvrement et

d’énergie

entre les

états n

>

et 1

m > de

symétrie

a.

Dans ce

calcul,

nous avons

négligé

les

intégrales

à

trois centres ; les

intégrales

à deux centres sont faites

jusqu’aux

seconds voisins inclusivement. Nous avons utilisé la théorie des groupes pour abaisser le

plus possible

l’ordre des matrices à

diagonaliser.

Les

notations des

représentations

sont les mêmes que celles données par Dresselhaus

[17].

Les

symétries

et

les

dégénérescences

pour les différentes

représentations

suivant les trois directions

[001], [110]

et

[111]

de

haute

symétrie

sont les mêmes que celles que nous

avons données

précédemment

pour CuCI

[9].

Pour un électron de

conductibilité,

nous avons

inclus dans l’hamiltonien

l’énergie d’échange

entre

un électron de conductibilité et les électrons appar- tenant aux autres ions. Ce

potentiel d’échange

a été

calculé à

partir

de

l’expression

de Slater

[18]

pour les électrons libres. Les ondes

planes orthogonalisées

ont été formées par les méthodes habituelles

[9].

Nous avons résolu

l’équation

ou

et

Dans les

expressions (2.3)

et

(2.4),

ni et n2 sont les nombres de

points

de

l’espace réciproque

pour les n-ième et m-ième

OPW.b(X(Kn)

est le coefficient de l’onde

plane symétrisée

de

symétrie

oc pour le vecteur

réciproque Kn. v(Kn - Km)

est la transformée de Fourier du

potentiel.

Les

An;

sont les transformées de Fourier des fonctions des couches

profondes

i

(y compris

les bandes de

valence)

de

symétrie

a et pour le vec- teur

réciproque Kn.

Les

énergies E;

sont celles des couches

profondes.

En

général,

la convergence de la méthode des OPW n’étant pas très bonne

[11 ],

nous avons fait le calcul

au centre de la zone de Brillouin pour la

symétrie F,

en

augmentant progressivement

le nombre d’ondes

planes

de

façon

à obtenir une bonne convergence.

La

figure

1 montre que pour obtenir une convergence

satisfaisante,

on doit faire le calcul en allant au moins

jusqu’à

la couche des

quatrièmes

voisins dans l’es- pace

réciproque (soit

51 ondes

planes).

Nous avons

effectué les calculs

jusqu’à

la couche des sixièmes voisins inclusivement dans

l’espace réciproque (c’est-à-

dire 65 ondes

planes).

Dans les

figures

2a et b nous

reportons

les schémas de bandes ainsi obtenus. Pour les directions

[001] ]

FIG. 1. - Convergence de la valeur propre de la représentation Tl par rapport au nombre d’OPW (.) ou par rapport au nombre

de couches de voisins de l’espace réciproque (0).

FIG. 2. - Structure de bandes (sans couplage spin-orbite) de

CuBr dans les directions de haute symétrie : a) L1 et A, b) 27.

(ou A)

et

[111] ] (ou A)

nous avons fait le calcul avec un pas de

1/10

de la

demi-largeur

de la ZB et dans

la direction

[110] (ou L’)

avec un pas de

1/15.

3.

Couplage spin-orbite.

- A l’aide de la théo-

rie de groupe, Elliot

[19],

Parmenter

[20]

et

Dresselhaus

[17]

ont étudié l’effet du

couplage spin-

orbite sur les bandes de valence des semi-conducteurs du groupe

ponctuel Td.

Le calcul

numérique

a été

(4)

fait pour les

composés

IV-IV par Kane

[21 ] et

Liu

[22],

pour les

composés

III-V par

Doggett [23]

et Braunstein

et Kane

[24],

pour les

composés

II-VI par Collins

et al.

[25]

et Shindo et al.

[26]

et pour les compo- sés I-VII par Bassani et al.

[14],

Shindo et al.

[26]

et

Song [8].

Dans la

plupart

de ces cas on a étudié la levée de la

dégénérescence (par

le

couplage spin- orbite)

de la bande de valence la

plus

élevée

qui

se trouve en

général

au centre de la ZB. Il y a aussi

quelques

études pour les autres

points

de

symétrie

élevée. Mais les calculs des bandes avec un hamiltonien

avec le

couplage spin-orbite

sont rares.

Nous avons étudié cet effet en

perturbation.

L’ha-

miltonien de la bande de valence se réécrit de la manière suivante :

Je est l’hamiltonien d’un électron de valence sans

couplage spin-orbite

tel que :

Ej et ! j

> sont les solutions propres de la bande de valence

déjà calculées ;

pour un

point quelconque

de la

ZB j = 1,

..., 9. Dans une

représentation

du

groupe

double, chaque

vecteur propre est

multiplié

par les fonctions de

spin a

>

et 1 f3

>, donc :

et

c = 137

(en ua)

et p et 6 sont la

quantité

de mou-

vement et la matrice de Pauli

respectivement. V

est

le

potentiel

des ions dans le cristal. Pour un

potentiel sphérique

nous avons :

et 1 est le moment

angulaire.

L’expression (3.5)

est valable seulement pour les

potentiels sphériques ;

comme dans les cristaux V est

périodique,

on doit donc

ajouter

une correction

à

ç(r).

Lowther

[28]

a démontré que cet effet

pourrait

être

assez

important

dans les cas où le

champ

cristallin

n’est pas de

symétrie

très élevée. Nous avons

négligés

cet

effet,

car V est très

grand près

des ions et si nous

nous limitons pour nos calculs aux

intégrales

à un

centre dans

l’approximation

des liaisons

fortes,

nous

pouvons considérer le

potentiel

comme

sphérique [14].

Pour un vecteur k

quelconque

les éléments de matrice de l’hamiltonien

JC,

seront de deux

types :

et

lx, ly

et

1.

sont les

projections

du moment

angulaire

1.

Les éléments de matrice des

opérateurs

de

couplage spin-orbite peuvent

être facilement déterminés en

écrivant m

>

et 1 j

> comme les combinaisons linéaires d’orbitales

atomiques.

Nous avons

diagona-

lisé le déterminant de

l’équation

séculaire d’ordre

18 x 18 et les résultats du calcul suivant les trois directions de haute

symétrie

sont montrés dans les

figures 3a, b,

c et d.

FIG. 3a et b. - Effet du couplage spin-orbite sur la bande

de valence la plus élevée dans les directions de haute symétrie : FIG. 3c et d. - Effet du couplage spin-orbite sur les deux bandes de valence les plus basses dans les directions de haute symétrie :

Nous n’avons pas étudié l’influence du

couplage spin-orbite

sur les bandes de

conductibilité,

car la

dégénérescence

de la bande de

plus

basse

énergie qui

intervient dans les transitions interbandes n’est pas levée dans les directions

[001] et [111].

Dans la direc-

tion

[110]

cette levée de

dégénérescence

est de l’ordre

. de

10-4

ua, donc

négligeable.

4. Effet d’un

champ magnétique.

- Wecker

[29] J

et Wecker et al.

[30]

ont étudié l’effet Zeeman sur les raies

excitoniques

de CuBr. Ils ont déduit la valeur

(5)

600

du facteur de Landé

(g)

de la

symétrie Ts

de la bande

de valence la

plus

élevée. Nous avons fait le même calcul que dans le cas de CuCI

[27]

et le résultat

est donné sur la

figure

4. Le niveau

r 15

est

décomposé

en deux niveaux

r8

et

r 7

par le

couplage spin-orbite ;

en

présence

du

champ magnétique,

ils se subdivisent

en 4 et 2 niveaux

respectivement.

Sur la

figure 4,

FIG. 4. - Effet du couplage spin-orbite et du champ magnétique

sur le niveau le plus élevé CTis). Les niveaux El et E2 sont :

et

où Eo est le niveau F,5, A = 0,001 7 ua, m 1 z of, :t t;

m2

= + § ; ) 191 1 - 0,37, 192 1 -

1,26 ; pp, le magnéton de Bohr

et H le champ magnétique.

nous montrons les

quatre

niveaux issus de

r8

et les deux niveaux issus de

F7.

Les

expressions analytiques

pour les

énergies Ei

et

E2

sont données par :

et

Eo

est le

niveau r15,

A =

0,001

7

(ua),

ml = ±

15

± 2,

m2 -

± -L, 2 1 g, 1 = 0,37, 1 g2 1 = 1,26

Po le

magnéton

de Bohr et H le

champ magnétique.

La

valeur du

facteur g ( 0,37)

pour

r8

n’est pas très

éloignée

de la valeur

expérimentale (- 0,5)

donnée

par Wecker

[29].

5. Densité d’états. - Kono et al.

[31]

ont étudié

les

halogénures

de cuivre par les rayons X. Ils ont soumis les échantillons aux radiations X de

MgKa

et ont observé les

spectres d’énergie

des électrons

ainsi excités à

partir

de la bande de valence. Ce

type d’expérience

donne une allure

générale

de la densité d’états des électrons de valence. Pour comparer leurs résultats avec le calcul de

bandes,

nous avons calculé les densités d’états des électrons de valence.

Compte

tenu de la

symétrie

du

cristal,

il suffit de considérer

un domaine

égal

au 48e de la zone de Brillouin.

Sur la

figure 5,

ce domaine est

représenté

par la

partie

hachurée et définie par

[32].

(en

unité 2

nia

où a est la constante du

réseau).

FIG. 5. - Zone de Brillouin de la structure cubique à faces

centrées. La partie hachurée représente 1/48 de la zone.

FIG. 6. - Densité d’états des électrons : a) « s » et « p », b) « d », c) « p + d ».

(6)

La densité d’états n des électrons de

symétrie

oc est

donnée par :

an(k)

et

En (k)

sont les vecteurs propres et les valeurs propres de

l’équation

séculaire

(2.1).

N

représente

le nombre de

points

k dans le domaine

(dans

notre

programme nous avons fixé N =

1 000).

Nous avons

remplacé ô(E)

par une distribution

approchée

AIE

telle que :

8

(= 0,005 ua)

est le pas de

l’histogramme.

Les

figures 6a, b

et c montrent les

histogrammes

des densités d’états des électrons s, p, d et enfin les densités d’états totales des électrons p et d.

6. Discussion. - Les schémas de bandes

(Fig.

2a

et

b)

sont

composés

des trois bandes de valence et deux bandes de conductibilité et d’une bande interdite de

3,1

eV située entre la bande de valence la

plus

élevée et la bande de conductibilité la

plus

basse.

La bande de valence la

plus

basse est de

type

4 s de Br- et très

plate.

Les deux autres bandes de valence

sont les

mélanges

de 4 p de Br- et 3 d de

Cu ’.

La deuxième bande de valence est essentiellement de

type

4 p de Br- avec une

petite partie

de 3 d de

Cu + .

Au centre

(c’est-à-dire r 15)

ce

mélange

est de l’ordre

de 85

%

de 4 p et

15 %

de 3 d. Cette bande est très

large

en

comparaison

de la bande

correspondante

de

CuCI,

car l’orbitale

atomique

4 p de Br- est

beaucoup plus

étendue que 3 p de Cl - . La bande de valence la

plus

élevée se

sépare

sous l’action du

champ

cristallin en

r 15

et

r 12

au centre de ZB. Pour

r 15

il y a une forte

hybridation

de 4 p de Br- et 3 d de

Cu +.

Cette

hybridation augmente quand

on va

de CuCI à Cul. Ce

mélange

des orbitales p et d a été évalué par Cardona

[6]

et Shindo et al.

[26]

à

partir

de la valeur

expérimentale

de l’effet de

couplage spin-orbite.

Dans le tableau ci-dessous

(tableau I)

nous donnons le

pourcentage

de caractère p en

r 15

pour les

halogénures

de cuivre. Notre valeur

(28 %)

est en bon accord avec les valeurs avancées par Cardona

[6]

et Shindo et al.

[26].

TABLEAU 1

Car- Shindo Calcul

dona

[6]

et al.

[26]

des bandes

Les

expériences

de Kono et al.

[31 ] pour

l’étude des bandes de valence des

halogénures

cuivreux montrent

un

pic

très

prononcé.

Du côté des basses

énergies

par

rapport

à ce

pic (à 1,25

eV du sommet pour

Cu-Br)

il y a une bosse et du côté des

énergies plus

élevées

une

petite

bande interdite

(- 0,8 eV) puis

un nouveau

pic

à une distance d’environ

2,50

eV. La

figure

6c

de la densité d’états « p + d » montre bien un

pic

très

important

aux électrons de

symétrie T12.

Des deux côtés de ce

pic

se trouvent encore deux

autres

pics

aux distances -

1,36

eV à droite et -

2,18

eV

à

gauche.

Bien que notre calcul de densité d’états

ne soit pas très

précis,

l’accord entre nos valeurs et

les valeurs

expérimentales

est satisfaisant.

Sur les

figures

2a et b nous n’avons tracé que les deux

premières

bandes de conductibilité. Le minima

se trouve au

point

r et est de

symétrie r 1.

Les bandes

de conductibilité de Cu-Br sont semblables à celles de Cu-Cl. Dans les deux cas, ils sont

d’origine

4 s

et 4 p de

Cu + (en

termes de liaisons

fortes),

ce

qui explique

leur similitude.

Les

expériences spectroscopiques

montrent l’exis-

tence d’une bande interdite

(riA - Fi - 3,1 eV)

entre les bandes de valence et de conductibilité. Nous

désignons

par

h; ‘(r; ‘)

le l-ième niveau classé res-

pectivement

par

énergie

décroissante

(croissante)

du haut de la bande de valence

(bas

de la bande de

conductibilité),

de

symétrie Fi.

Cardona

[6]

et Ishii

et al.

[26]

ont observé

plusieurs

maxima dans les

spectres d’absorption

ultraviolet. Ils sont donnés dans le tableau suivant

(tableau II) :

TABLEAU II

Les

énergies d’absorption

en eV

Cardona

[6]

et

Song [10]

ont

indiqué quelques

tran-

sitions interbandes

permises

pour

expliquer

les

spectres d’absorption jusqu’à

10 eV. Leurs

explications

ne

sont pas

compatibles

avec notre calcul de bandes.

Les trois

premiers pics (5,48 eV, 5,60

eV et

6,65 eV)

de Cardona

pourraient

être attribués à la transition

X5’(XÎ’) - (- 6,6 eV).

Si on tient

compte

de l’effet du

couplage spin-orbite,

les

quatre

niveaux

X,, x , X5’

et

Xv’

se transforment en

Xb’

- 0,498

8

ua), Vi (- - 0,499

3

ua) Xv’

Z

(- - 0,500

0

ua), X V’ (- - 0,510

8

ua)

et

X V’

( N - 0,511

3

ua).

Les niveaux

Xvl

et

X3

3 ont une

forte

présence

de

X,

et

X V’,

donc les transitions à

partir

de ces deux niveaux vers

X’ 3

seront très

faibles. Les

énergies

des transitions

(les plus

pro-

bables) X§’ - X3, X V2 --> Xc

et

V V2 --+ Xc

sont

6,54 eV, 6,57

eV et

6,86

eV

respectivement.

Les

(7)

602

transitions aux

7,3 - 7,7

eV et

8,9 - 9,0

eV corres-

pondent

aux

X 12 - X3 (- 7,4 eV)

et

X 5’ - X4 ( N 10,0 eV).

Ces

interprétations

sont

compatibles

avec

celles

que nous avons

déjà

données pour les

spectres d’absorption

ultraviolet de CuCI

[9].

Les

deux autres transitions observées par Ishii et al.

[26]

sont

proches

des valeurs des transitions interbande

X v 5 Xi (- 15,3 eV)

et

X5’ - Xc 5 (21,4 eV).

Les

figures 3a, b,

c et d

représentent

les résultats du calcul des bandes de valence avec le

couplage spin-orbite.

A la suite de l’effet du

couplage,

le sommet

de la bande de valence la

plus

élevée ne se trouve

plus

au

point r ;

mais ce

déplacement

de maximum

par

rapport

au centre

(de ZB)

est si peu

important

que nous pouvons bien

prendre

le sommet à

F8

pour

simplifier

les calculs. Selon la théorie des groupes,

chaque

niveau dans la direction 1 doit se

séparer

en

13

et

14

sous l’effet du

couplage spin-orbite [17] ;

mais cette

séparation entre 13 et 14

est si faible

( N 10-4 ua)

que nous ne

l’apercevons

pas. Il faut noter que la

séparation

entre

A4

et

A5 (en

double

repré- sentation)

est aussi très faible

(- 10-3 ua).

7. Conclusion. - Cette étude nous a

permis

de

dégager

les

points

suivants :

- Les méthodes combinées de TB et de OPW

déjà

utilisées pour décrire les structures

électroniques

des Ar

[12],

Kr

[13], AgCl

et

AgBr [14]

et CuCI

[8]

sont aussi valables pour CuBr. Elles devraient aussi

pouvoir

être

appliquées

pour décrire la structure

électronique

de

Cul,

mais malheureusement les fonctions

atomiques

de I- ne sont pas connues.

- Les structures

électroniques proposées

par

extrapolation

de la structure

électronique

de CuCI

[10]

et par le calcul à

partir

des

premiers principes

ne sont

pas les mêmes.

- La

plupart

des données

expérimentales

sont bien

interprétées

à l’aide de notre calcul de la structure de

bandes ;

- La

figure

6a des densités d’états montre encore une émission des électrons à

partir

des états « s ».

Ce maximum d’émission se trouve à - 15 eV du

pic

le

plus prononcé (du

côté de la haute

énergie)

dans

les

spectres

de

photoémission

de CuBr par Kono

et al.

[31 ].

- Enfin nous nous proposons d’étudier

plus

par- ticulièrement les

spectres excitoniques

de CuBr

[1 ], [5]

en tenant

compte

de la structure

électronique

calculée.

Remerciements. -

J’exprime

ici ma reconnaissance à M. le

professeur

E.

Daniel, qui

m’a

dirigé

tout au

long

de ce travail.

Bibliographie [1

]

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